三相对称电压的性质和应用

(1)三相电动势的产生

如图3.8.1所示为三相交流发电机的原理图。三相交流发电机由定子和转子组成,在发电机定子铁芯的凹槽内放置完全相同的3个绕组,分别为U1-U2、V1-V2、W1-W2,称为U相、V相、W相。设始端为U1、V1、W1,末端为U2、V2、W2,在空间位置上始端(或末端)之间互差120°。转子铁芯上绕有励磁绕组,通入直流电后会产生磁场,选择合适的磁极形状和励磁绕组,可使转子表面空气隙中的磁感应强度按正弦规律分布。当转子在原动机带动下,以角速度ω匀速按顺时针方向旋转时,定子绕组切割磁力线,就会在定子绕组中产生按正弦规律变化的感应电动势,而且磁极依次与U1、V1、W1正面相对时,相应的U1-U2、V1-V2、W1-W2绕组中的正弦感应电动势达到最大值。三相电动势的参考方向选定为由绕组的末端指向始端,并分别用eU、eV、eW表示。若以eU电动势为参考正弦量,则三相感应电动势分别为

图3.8.1　三相交流发电机的原理图

有效值相量为

式(3.8.1)中的一组幅值、频率相同,相位互差120°的3个电动势,称为三相对称电动势。它们达到正幅值的先后顺序,称为相序。显然,U、V、W三相绕组在空间的位置确定后,相序与磁极的旋转方向有关。在图3.8.1中,如果磁极顺时针方向旋转,相序即为U1→V1→W1,这样的相序称为正序;若相序为U1→W1→V1(或W1→V1→U1),则称为负序。

三相对称电动势的波形图和相量图如图3.8.2所示。可知,三相对称电动势的瞬时值之和为零,相量之和也为零,即

这是三相对称电源的一个重要性质,以后所说的三相电源均指三相对称电源。

图3.8.2　三相对称电动势的波形图和相量图

(2)三相电源的连接

三相电源的绕组有两种连接方式:一种为星形(Y)连接;另一种为三角形(△)连接。下面介绍常用星形连接的三相电源。

星形连接的三相电源如图3.8.3所示。将绕组的末端U2、V2、W2连接在一起作为公共点,称为电源的中性点或零点,用N表示。从中性点N引出的导线,称为中性线,俗称零线。通常将中性线与大地直接相连接,这时中性线又称地线,在实际中其裸导线涂淡蓝色标志;从绕组的始端U1、V1、W1分别引出的导线,称为相线或端线,俗称火线,在实际中裸导线分别涂黄、绿、红3种颜色标志,常用L1、L2、L3表示,如图3.8.3(b)所示。(www.xing528.com)

图3.8.3　星形连接的三相电源

在如图3.8.3(a)所示的三相电源中,每相绕组始端与末端之间的电压,即电源相线与中性线之间的电压,称为相电压,有效值用Up表示,有效值相量用表示;任意两根相线之间的电压,称为线电压,有效值用Ul表示,有效值相量用表示。由于电源绕组的阻抗很小,其压降也很小,可忽略不计。因此,相电压与对应的电动势基本相等,3个相电压也可视为一组对称电压,若以uU相电压为参考,则有

相电压的有效值相量为

由图3.8.3列写基尔霍夫电压方程,可求出3个线电压分别为

线电压的有效值相量为

依据式(3.8.5)和式(3.8.7),绘出相电压和线电压的相量图,如图3.8.4所示。由相量图中的几何关系可知,3个线电压也对称,而且线电压的有效值Ul与相电压有效值Up之间的关系为

图3.8.4　绕组星形连接时的相量图

在相位关系上,线电压超前于对应的相电压30°,即超前于、超前于、超前于的相位角均为30°。

星形连接的三相电源,引出4根导线,构成了低压电网中普遍采用的三相四线制供电系统。三相四线制供电时,可给负载提供两种电压,即相电压220 V和线电压380 V。